(57)【要約】焼きならしおよび焼き鈍し工程を含む、非焼き入れ硬化鋼物品または摩擦溶接した鋼物品のための熱処理過程であって、それによって、微細構造の均一性および硬度が大幅に向上する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非焼き入れ硬化鋼物品を熱処理する方法であって、前記方法が、
前記物品を約１６５０°Ｆ〜約１７５０°Ｆの範囲の第１の保持温度まで加熱することと、
第１の冷却工程において、前記物品を室温まで冷却することと、
前記物品を約１２００°Ｆ〜約１２５０°Ｆの範囲の第２の保持温度まで加熱することと、
第２の冷却工程において、前記物品を室温まで冷却することと、を含む、方法。
【請求項２】
前記物品が、少なくとも６時間にわたって前記第１の保持温度に保持される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の冷却工程が、空気中で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の冷却工程が、わずかに攪拌した空気中で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記物品が、少なくとも４時間にわたって前記第２の保持温度に保持される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の冷却工程が、約６００°Ｆまで炉中冷却し、続いて、空気中で室温まで冷却することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の冷却工程が、空気中で室温まで冷却することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記鋼物品が、ＡＩＳＩ９３１０鋼を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記鋼物品が、ＡＩＳＩ３３１０鋼を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記鋼物品が、ギヤを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ギヤが、そこに摩擦溶接されたハブをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記鋼物品が、摩擦溶接した鋼物品を含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼部品の熱処理に関し、特にギヤおよび同類のもの等の摩擦溶接した鋼部品の熱処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦溶接は、イナーシャ溶接としても知られ、類似する組成を有する場合もあり、または有しない場合もある、鋼等の２つの金属を一緒に接合する過程である。摩擦溶接は、接合温度が比較的低いので、金属を溶融させることなく、圧力および回転力を使用して金属を一緒に鍛造する。この過程は、当然、当業者に知られており、また、本発明を理解するための、基本的な過程のさらなる説明は不要であると考える。
【０００３】
摩擦溶接は、ハブまたは支持ベアリング（第３のピニオンベアリングと称されることもある）をギヤ（例えば、傘ピニオン）の正面に取り付けることが所望される場合等の、いくつかのギヤの製造および組み立てに利用することができる。別の例において、摩擦溶接はまた、シャフトを傘ピニオンの背面に取り付けるために利用することもできる。
【０００４】
摩擦溶接は、金属のいかなる溶融も生じさせないが、溶接ゾーンが形成される。ギヤに関しては、溶接ゾーンの硬度が周囲の金属の硬度よりも高いことに注目されてきた。さらに、溶接の後に、金属の微細構造および溶接ゾーンの微細構造に識別可能な均一性の欠如が存在する。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、焼きならしおよび焼き鈍し工程を含む、摩擦溶接した鋼物品のための熱処理過程を含み、それによって、微細構造の均一性および硬度が大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】そこに摩擦溶接されたハブを有するピニオン部材を例示する図である。
【図２】摩擦溶接したピニオンおよびハブの溶接ゾーンの顕微鏡写真である。
【図３】本発明の熱処理前のピニオンの微細構造の顕微鏡写真である。
【図４】本発明の焼きならし工程後のピニオン微細構造の顕微鏡写真である。
【図５】本発明による焼きならしおよび焼き鈍し工程後のピニオン微細構造の顕微鏡写真である。
【図６】本発明による焼きならしおよび焼き鈍し後の摩擦溶接したピニオンおよびハブの溶接ゾーンの顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本明細書で使用される「ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ（発明）」「ｔｈｅ  ｎｖｅｎｔｉｏｎ（本発明）」および「ｔｈｅ  ｐｒｅｓｅｎｔ  ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ（本発明）」という用語は、本明細書の主題のすべて、および以下の任意の特許請求の範囲を広く指すことを意図するものである。これらの用語を含む記述は、本明細書に記載された主題を限定するものでも、以下の任意の特許請求の範囲の意味または範囲を限定するものでもない。さらに、本明細書は、本出願の特定部分、段落、記述または図面において、いかなる特許請求の範囲によってカバーされる主題を説明または制限しようとするものではない。本主題は、明細書全体、すべての図面および以下のあらゆる特許請求項を参照することによって理解されるべきである。本発明は、他の構成が可能であり、様々な方法で実施または実行されることが可能である。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであり、限定的であると見なされるべきではないことが理解される。
【０００８】
以下、本発明の詳細を、単に例として、本発明を説明する添付図面を参照して説明する。図面において、類似の特徴または構成要素は、同様の参照番号によって参照される。
【０００９】
本明細書の「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、ならびにその変形の使用は、それ以降に列挙された項目およびその等価物ならびに追加の項目を包含することを意味する。
【００１０】
以下、図面を説明する際に、上部、下部、上方、下方、後方、底部、頂部、前部、後部、その他等の方向に言及することがあるが、これらの言及は、便宜上、（普通に見たときの）図面に対して行われる。これらの方向は、文字通りに解釈されることを意図するものではなく、いかなる形態においても本発明を限定するものでもない。
【００１１】
図１は、傘ギヤセットのピニオン部材２（すなわちピニオン）を示す。ピニオン部材２と噛合する傘ギヤセットの他の部材は、環状傘ギヤ部材（すなわち、環状ギヤ（図示せず））である。ピニオン２は、歯４を備え、また、シャフト部分６を含む。ピニオン２は、ベアリング（図示せず）を配置することができるジャーナル１０を有するハブ部分８をさらに含む。ハブ部分８は、摩擦溶接を介して、ピニオン２の正面１２に取り付けられる。
【００１２】
図２は、図１のピニオン面１２およびハブ８等の、摩擦溶接したピニオン面とハブ部分と間の溶接ゾーン２０（区切る目的で白線を加えた）の顕微鏡写真（倍率５０倍）である。ピニオンおよびハブはどちらも、受領したままの、非焼き入れ硬化ＡＩＳＩ９３１０鋼で構成され、
０．０７〜０．１３の炭素、
２．９５〜３．５５のニッケル、
１．００〜１．４５のクロム、
０．４０〜０．７０のマンガン、
０．１５〜０．３５のシリコン、
０．０８〜０．１５のモリブデン、
最大０．０２５のリン、
最大０．０２５の硫黄、の組成（重量％）を有する。
【００１３】
ハブ８の微細構造２２は、溶接ゾーン２０の左側に示され、一方で、ピニオン２の微細構造２４は、溶接ゾーン２０の右側に示される。ピニオン微細構造２４内の相当な数およびサイズのフェライト島２６（図３も参照されたい）に注目されたい。この実施例において、溶接ゾーン２０の硬度は、ロックウェルＣで４２であり、ハブ微細構造２２およびピニオン微細構造２４の硬度は、ロックウェルＣで２０．５であった。
【００１４】
第１の工程では、ピニオン２等のギヤを、少なくとも６時間にわたって約１６５０°Ｆ〜約１７５０°Ｆの範囲の第１の保持温度で焼きならしを行い、続いて、好ましくは静止空気中で室温まで冷却する（すなわち、第１の冷却工程）が、空気は、攪拌してもよく、好ましくは、例えばファン等によってわずかに攪拌してもよい。図４は、ギヤを、６時間にわたって１７５０°Ｆで焼きならしを行い、次いで、静止空気中で冷却した、図２（９３１０鋼）と同じギヤの顕微鏡写真（倍率５００倍）である。微細構造２４の硬度は、ロックウェルＢで９９．５（ロックウェルＣで約２２）であり、溶接ゾーンの硬度は、ロックウェルＣで２７であった。
【００１５】
焼きならしおよび冷却に続いて、ギヤを、少なくとも４時間にわたって約１２００°Ｆ〜約１２５０°Ｆの範囲の臨界未満の第２の保持温度で等温焼き鈍しを行う。次いで、ギヤを、室温まで冷却する（すなわち第２の冷却工程）。第２の冷却工程は、約６００°Ｆまで炉中冷却し、続いて、空気中で室温まで冷却することを含むことができる。代替的に、第２の冷却工程は、空気中で室温まで冷却することを含むことができる。
【００１６】
図５は、ギヤを、４時間にわたって１２５０°Ｆで焼き鈍しを行い、次いで、静止空気中で冷却した、図４（９３１０鋼）のギヤの顕微鏡写真（倍率５００倍）である。微細構造２４の硬度は、ロックウェルＢで９０であり、溶接ゾーンの硬度は、ロックウェルＢで９２であった。
【００１７】
図６は、本発明の焼きならしおよび焼き鈍し過程の後の摩擦溶接ゾーン２０（区切る目的で白線を加えた）の顕微鏡写真（倍率５０倍）である。図から分かるように、微細構造は、図２と比較して、はるかに均一である。上記の硬度は、処理前の値であるロックウェルＣの２０．５およびロックウェルＣの４２と比較して、ほぼ均一である。
【００１８】
いくつかの理由で、鋼物品を焼きならすために、１６５０°Ｆ〜１７５０°Ｆの温度範囲を選択した。鋼物品が焼きならしの後に続いて浸炭される事例である場合、浸炭温度は、使用した焼きならし温度よりも低くなければならない。浸炭ならびにその後の焼き入れおよび焼き戻し作業中の部品の歪みが、浸炭温度を焼きならし温度よりも低くしなければならないと指示する主な理由である。炉中浸炭は、典型的に、選択される目標温度に関して±２５°Ｆ以下の許容度を有する。浸炭温度が所定の焼きならし温度を超えないことを確実にするために、炉の作業ゾーン内のこの温度変化を考慮に入れられなければならない。こうした理由で、典型的なガイダンスは、浸炭温度を焼きならし温度よりも少なくとも２５°Ｆ低くしなければならないことを義務付けている。したがって、このガイダンスに従った場合、１６５０°Ｆの焼きならし温度の場合、浸炭温度は、高くても１６２５°Ｆとなる。ガス浸炭は、拡散律速過程であるので、温度が低いほど、所与の事例の深さプロファイルに到達するのに長くかかる。また、１６２５°Ｆ未満の温度では、単に物品（すなわち部品）の大部分を浸炭するのに長くかかり過ぎる（そして、より高価になる）。１７５０°Ｆを超える温度では、粒子成長がより急速に始まるので、望ましくない。保持時間が６時間未満の場合、不完全または部分的な焼きならしが起こり得る。
【００１９】
鋼の下限臨界温度を超えることなく適切な時間の長さの範囲内で十分な軟化が行われるように、１２００°Ｆ〜１２５０°Ｆの臨界未満の等温焼き鈍し温度範囲を選択した。鋼の下限臨界温度を超えると、望ましくないオーステナイト変態を誘導させる。そのため、この焼き鈍しは、もはや臨界未満の焼き鈍しとして識別され得ない。保持時間が４時間未満の場合、不十分な軟化が起こり得る。
【００２０】
本発明は、ＡＩＳＩ９３１０に関して論じ、例示してきたが、類似する組成の他の無心焼き入れ鋼または表面焼き入れ鋼（非クエンチ硬化）、例えば、
０．０８〜０．１３の炭素、
３．２５〜３．７５のニッケル、
１．４０〜１．７５のクロム、
０．４０〜０．６０のマンガン、
０．１５〜０．３５のシリコン、
最大０．０２５のリン、
最大０．０２５の硫黄（重量％）を含む、ＡＩＳＩ３３１０鋼等を利用することができる。
【００２１】
本発明をギヤに関して論じてきたが、他の摩擦溶接した鋼物品も想定される。本発明の過程は、最小の歪曲によって容易に浸炭し、熱処理することができる（いくつかのギヤの生産における以降の製造工程）、均一な微細構造をもたらす。また、非焼き入れ硬化および非摩擦溶接鋼物品鋼もまた、容易に浸炭し、熱処理することができる結果として生じる均一な微細構造のため、本発明の方法の利益を享受することができることにも留意されたい。
【００２２】
本発明を、好ましい実施形態を参照して説明してきたが、本発明は、その詳細に限定されないことを理解されたい。本発明は、添付の特許請求の範囲の主旨および範囲から逸脱することなく、本発明の対象が関連する、当業者には明らかになるであろう修正形態を含むことが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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